Tekokuitujen valmistus

Nykyisen korkean elintason maailmassa tekstiilit muodostavat tärkeän osan jokaisen kuluttajan menoista. Tekstiilien kokonaiskulutus tulee jatkuvasti kasvamaan, mikä johtuu sekä maapallon väestön kasvusta että henkilökohtaisen kulutuksen lisäyksestä. Tämän kysynnän tyydyttäminen perustuu kaikkialla maailmassa yhä enemmän tekokuituihin, koska luonnonkuidut eivät enää riitä. Lisäksi asusteilta vaaditaan helppohoitoisuutta, keveyttä, mukavuutta, ja näiden vaatimusten täyttämiseen tarvitaan tekokuituja. Tekokuitujen ominaisuuksia voidaan muunnella käyttötarkoituksen mukaan.

Tekokuidun käyttötarkoituksen mukaan määräytyvät kuidun pituus, hienous, poikkileikkaus, kiharuus jne. Samoin himmeys tai kirkkaus saadaan halutun asteiseksi. Myös lujuus- ja venymäarvoja voidaan jonkin verran säätää.

Tekokuidut jaetaan neljään ryhmään:

  1. Muuntokuidut (luonnon polymeereistä) esim. viskoosi- ja polynoosikuitu
  2. Puolisynteettiset kuidut (kemiallisesti modifioiduista luonnon polymeereistä) esim. asetaatti- ja triasetaatti-kuidut (selluloosaesterikuituja)
  3. Synteettiset (synteettisistä polymeereistä) kuidut
  4. Epäorgaaniset kuidut (ei polymeerisistä materiaaleista tai hiilletyistä polymeereistä) esim. metalli-, lasi-, keraami- ja hiilikuidut.

Selluloosamuuntokuidut ovat puhdasta selluloosaa. Tärkein muuntokuitu on viskoosikuitu. Viskoosikuidun tärkeä ominaisuus on sen hyvä kosteudenimukyky, jonka ansiosta siitä valmistetut tuotteet ovat miellyttävän tuntuisia, hengittäviä, eivätkä ne sähköisty. Viskoosikuituja on helppo värjätä joko kuituina, lankana tai kankaana.

Synteettiset kuidut ovat synteettisistä polymeereistä kuiva-, märkä- tai sulatekehruumenetelmällä valmistettuja kuituja. Ensimmäinen suurina määrinä valmistettujen tekokuitujen ryhmä oli polyamidikuidut (nailon, perlon), joita alettiin käyttää silkin asemesta naisten sukkien ja alusvaatteiden raaka-aineina. Muita synteettisiä kuituja ovat mm. polyesterikuidut (terylene, crimpelene, trevira, dackron), polyakryylikuidut (dralon, orlon, courtelle), polyvinyylikloridikuidut (dynel) sekä polytetrafluorieteenikuitu (teflon).

Suomessa tekokuituja valmistetaan Valkeakoskella missä valmistetaan viskoosikatkokuituja sekä teksturoidaan eli kiharretaan polyamidia ja polyesteriä.

Viskoosikuitu

Viskoosikuitu on kemiallisesti samaa ainetta kuin puuvilla, nimittäin selluloosaa. Viskoosikuidun selluloosa on peräisin puusta (monia eri puulajeja). Valkaistu liukosellu liuotetaan lipeän ja rikkihiilen avulla oranssinväriseksi, siirappimaiseksi viskoosiliuokseksi, joka puristetaan kultaplatinasuulakkeen pienten reikien läpi kehruuhappoon. Tällöin viskoosiliuoksen selluloosa saostuu ohuiksi säleiksi.

Viskoosikuidun valmistus.jpg (682305 bytes)

Viskoosikuitujen valmistukseen sisältyvät seuraavat vaiheet:

 

Merserointi

Selluloosa käsitellään n. 18-%:isella NaOH-liuoksella, jolloin syntyy alkaliselluloosaa. Käytössä on kaksi erilaista menetelmää. Arkkimerseroinnissa selluloosa-arkit upotetaan esimerkiksi tunniksi NaOH-liuokseen, jonka jälkeen NaOH-liuos lasketaan pois ja turvonneita arkkeja puristetaan hydraulisella puristimella, kunnes saadaan haluttu kuiva-ainepitoisuus. Lietemerseroinnissa selluloosa ja NaOH-liuos sekoitetaan n. 5 % selluloosaa sisältäväksi sulpuksi, josta ylimääräinen NaOH-liuos erotetaan rei'itettyjen valssien välissä puristamalla. Kummassakin menetelmässä saadaan alkaliselluloosaa, jonka NaOH-pitoisuus on 15-16 % ja selluloosapitoisuus 31-35 %. Tavallisesti saatu alkaliselluloosa vielä jauhetaan (revitään) sopivan kuohkeaksi massaksi.

C6H9O4OH + NaOH --> C6H9O4ONa + H2O

Selluloosa --> Alkaliselluloosa

Esikypsytys

Alkaliselluloosa reagoi ilman hapen kanssa, jolloin molekyyliketjuja katkeilee eli keskimääräinen molekyyliketjujen pituus pienenee. Reaktio tapahtuu alkaliselluloosan ollessa esimerkiksi leveällä ja hitaasti kulkevalla kuljetushihnalla. Lämpötila on esim. 45ºC ja reaktioaika 5 tuntia. Esikypsytyksen ajalla ja lämpötilalla säädetään viskoosin viskositeetti.

Esikypsytysreaktiota nopeutetaan katalyyttien avulla. Nopeuttavia aineita ovat esimerkiksi raskasmetallisuolat, kuten raudan, mangaanin ja koboltin yhdisteet.

Rikitys ja liuotus

Esikypsytetty alkaliselluloosa reagoi rikkihiilen kanssa, ja tuloksena syntyy selluloosaksantaattia, joka liuotetaan laimeaan NaOH-liuokseen. Syntynyttä oranssinväristä liuosta sanotaan viskoosiksi. Rikitys tapahtuu suljetussa reaktorissa, jonne rikkihiili lisätään. Reaktioaika on n. 1 tunti, lämpötila n. 32ºC ja rikkihiilen määrä n. 35 % sellun määrästä. Syntynyt ksantaatti liuotetaan erillisessä, voimakkaalla sekoittimella varustetussa liuottajassa laimeaan lipeäliuokseen.

 

Jälkikypsytys

Viskoosin annetaan seistä n. 20 ºC:ssa 5 -2 4 tuntia. Tässä yhteydessä viskoosi suodatetaan 2-3 kertaa, jotta liukenemattomat selluloosakuidut, roskat yms. saataisiin erotetuksi. Viskoosin sisältämät ilma- ja kaasukuplat poistetaan vakuumin avulla. Viskoosi on siirapin jäykkyistä nestettä, joka tavallisesti sisältää 5 - 7 % lipeää ja 7-10 % selluloosaa.

Kehruu

Viskoosi pumpataan annostelupumpuilla kehruusuulakkeisiin, joissa on viskoosikatkokuituja valmistettaessa 1500 - 14000, jopa 54000 kpl 45 - 200 m m:n suuruista reikää. Suulakkeet on upotettu kehruuliuokseen, joka sisältää 6 - 10 % H2SO4:a, 10 - 30 % Na2SO4:a ja 1 - 4 % ZnSO4:a lämpötilan ollessa 40-60 ºC. Suulakerei'istä kehruuhauteeseen virtaavat nestesäikeet hyytyvät välittömästi kuiduiksi, joita jatkuvasti vedetään ylös kehruuhauteesta. Kuiduista muodostunutta köyttä venytetään vielä kahden eri nopeudella pyörivän pyörän välillä, jotta kuitujen lujuutta saataisiin lisätyksi. Lopuksi kuituköysi leikataan halutun mittaisiksi pätkiksi. Tyypillisessä viskoosikatkokuitukehruukoneessa on 150 - 400 suulaketta ja kehruunopeus 40 - 80 m/min. Jatkuvasäikeisiä kuituja valmistettaessa suulakkeet ovat paljon pienempiä. Reikäluku suulaketta kohti on 15-60. Kuituja ei katkota, vaan jokaisesta suulakkeesta tuleva 15 – 60 -säikeinen lanka pidetään erillään ja puolataan omalle puolalleen.

Jälkikäsittely

Viskoosikuidut pestään, valkaistaan ja avivoidaan. Viskoosikatkokuitujen valmistuksessa katkotuista kuiduista muodostetaan liikkuvalle viiralle kuitumatto, jonka läpi pesuliuokset virtaavat. Jälkikäsittelyyn kuuluu vesipesujen lisäksi seuraavat pesut:

Viskoosikuitujen valmistusmenetelmä sallii erittäin suuret vaihtelumahdollisuudet kuitujen ominaisuuksissa. Siitä johtuu, että niiden käyttö on levinnyt melkein kaikille tekstiiliteollisuuden alueille. Niitä käytetään yksinään tai useimmiten sekoituksina muiden kuitujen kanssa mm. vanuissa, alusvaatteissa, puvuissa, liinavaatteissa, verhoissa, matoissa ja huonekalukankaissa.

Viskoosikuidun tuottamisessa kehruuvaiheessa syntyy rikkihaposta ja natriumhydroksidista natriumsulfaattia, jonka sivutuote kiteytetään ja myydään esimerkiksi selluloosa- ja pesuaineteollisuudelle.

Selluloosaksantogenaatin valmistuksessa käytetty rikkihiili vapautuu kehruun yhteydessä rikkihiili- ja rikkivetykaasuina. Niiden myrkyllisyyden vuoksi on kehruukoneet koteloitu. Kaasut imetään koneista puhaltimilla talteenottolaitokselle. Regeneroitu rikkihiili käytetään uudelleen ja natriumhydroksidiin imeytetty rikkivety myydään sulfidiliuoksena esimerkiksi metallurgiselle teollisuudelle.

Viskoosikuitutuotannossa käytettyjä kemikaaleja mm. rikkihappoa sisältävä jätevesi neutraloidaan kemiallisessa puhdistuslaitoksessa, jonka jälkeen vesistöön laskettava vesi sisältää pääasiassa vain kalsiumia ja natriumsulfaattia.

Viskoosikuitujen tuottamisessa aiheutuvia ympäristö-ja terveyshaittoja on merkittävästi vähennetty, kun prosessi on varustettu ajanmukaisella tuotantokoneistolla ja talteenotto- ja puhdistuslaitoksilla.